MODERN İMALAT YÖNTEMLERİ

LAZER İLE İŞLEME , LAZER TEZGAHLARI

Öğr.Gör.Dr. Ömer ERKAN

Light

Amplification

Stimulated

Emission

Radiation Lazer tek bir dalga boyuna sahip yapışık veyüksek bir ışıktır, atomik enerjiyi elektromanyetik enerjiye dönüştürür

LAZERİN TARİHÇESİ

• 1961 ALI JAVAN, WILLIAM BENNET JR. , DONALD HERRIOT - BellLaboratuarlarında HeNe LAZER’in keşfi

1962 ROBERT HALL General Elektrik Laboratuarlarında yarı-iletken LAZER’in keşfi.

• 1964 J. E. GEUSIC, H. M. MARKOS, L G VAN UITEIT- Bell Laboratuarları ilk çalışan Nd:YAG LAZER

LAZERİN TARİHÇESİ

1964 KUMAR N PATEL - Bell Laboratuarlarında CO2 LAZER’in keşfi.

1964 WILLIAM BRIDGES - Hughes Laboratuarlarında Argon İyon LAZER’in keşfi.

1965 G PIMENTEL&J V V KASPER – Kaliforniya-Berkley ilk kimyasal LAZER

1966 W SILFVAST &G FOWLES AND HOPKINS - Utah üniversitesinde ilk metal buhar LAZER - Zn/Cd

1966 PETER SOROKIN, JOHN LANKARD IBM Laboratuarlarında ilk boya lazer.

LAZERİN TARİHÇESİ

1970 NIKOLAI BASOV GRUBU - Moskova Lebedev Laboratuarlarında Xenon (Xe) ile yapılan ilk Excimer LAZER

1974 J J EWING &C BRAU - Avco Everet Laboratuarlı ilk nadir gaz halojenür excimer.

1977 JOHN M J MADEY GRUBU - Stanford Üniversitesinde ilk serbest elektron lazeri.

1969 G M DELCO - Otomobil uygulamaları için üçlü lazerlerin ilk endüstriyel donanım

1980 G PERT GRUBU - İngiltere Hull Üniversitesinde X-ışını lazer etkisinin ilk raporu.

LAZERİN TARİHÇESİ

1984 D MATTHEW GRUBU - Lawrance Livermore Laboratuarlarında ilk X-ışını lazer gözlendi.

1981 A SCHAWLOW & N BLOEMBERGEN - Lineer olmayan optik ve spektroskopide Nobel fizik ödülü.

LAZERİN TARİHÇESİ

Lazerle oluşturulan

plazmadan yayılan X-ışını

X-ışını lazerin bir plazma ile etkileşimi

X-ışını lazerler litografide

ve Hohlaryum plazmaların

incelenmesinde kullanılır

LAZERİN ÇALIŞMA PRENSİBİ

Uyarılmış ışıma ile kuvvetlendirilmiş ışık

• Lazer kaynağı olarak kullanılanmalzemenin (kristal, gaz, sıvı)yapısını oluşturan atomların en sonyörüngelerindeki elektronlarıdışarıdan enerjilendirilerek(pumped) bir üst yörüngeye çıkmasısağlanır.

• Verilen enerji kesildiği zamanelektron tekrar kararlı konumunageçer (bir alt yörüngeye düşer). Busırada kazanmış olduğu enerjiyifoton şeklinde yayar.

LAZERİN ÇALIŞMA PRENSİBİ

•Yayılan bu enerji lazer kaynağının iki tarafında bulunan yansıtmalı aynalar vasıtası ile kendi ortamındadöndürülür. Bu işlem elektronların tekrar tekrar uyarılması ile devam eder.Böylece eş fazda şiddeti çok artarak uyarılmış ve o atomun frekans (renk) karakteristiklerini taşıyangüçlü bir ışınım (foton demeti) elde edilir

Birleştirilmiş tipik bir lazer şeması

DALGA BOYLARI ve LAZERİN YERİ

LAZER

LAZERLERİN UYGULAMA ALANLARI

ENDÜSTRİDE

• Her türlü malzemeyi çok hassas bir şekilde kesme, delme ve kaynakişlemlerinde,

• Mikro elektronikte dirençlerin aktif veya pasif olarak %0,01hassasiyetinde üretilmeleri,

• Çip üretiminde hat kalınlıklarının 0,25 μm’den az olarakdesenlendirilmesi,

• Yüksek ve uzun yapıların düzgünlüğünün ölçümü,

• Yeni maddelerin analiz işlemlerinin yapılması,

BİLİMSEL ARAŞTIRMALARDA

• Çok hassas bilimsel ölçümler (ışık hızı ölçümü),

• Yerküre üzerindeki hareketlerin hassas ölçümü,

• Malzemelerin kimyasal analizleri.

HABERLEŞMEDE

• Yeryüzü ile uydular arası haberleşme sistemleri,

• Haberleşme ağında fiber-optik sistemlerle birlikte kullanılması,

• Yüksek yoğunlukta ses ve görüntü bilgileri depolanması.

TIP ve ASKERİ ALANLARDA

• Zarar görmüş dokuların keserek alınması,

• Yaraların iyileştirilmesi,

• Kanamanın durdurulması,

• Göz retinasında oluşan zedelenmelerin giderilmesi,

• Açısal hassasiyet (ışınımlarının doğrusal şekilde olması),

• Uzun mesafelere ulaşma (Lazer gücünün yüksek olması),

• Mesafe ölçümünde hassasiyet (darbe genişliğinin çok dar olması),

• Kullanım kolaylığı (küçük boyutta ve hafif olmaları).

Atom

Helyum -

Neon

İyon

Argon iyon

Kripton iyon

Molekül

CO2

Nitrojen

Uzak Kızıl Altı

Excimer

Metal Buhar

Bakır Buharı

Altın Buharı

Boya Laz.

YakutNd-YAG

Ti-Safir

Diyot X IşınıSerbest elektro

nFiber

•Metal yüzeyler tarafından soğurulması CO2 lazerden daha iyi olduğu için Nd:YAGlazerlerin kullanılması daha uygundur.•Nd:YAG lazerin ışıması optik fiber yoluyla çalışılacak parça üzerine taşınabilir. Bukullanmayı kolaylaştırır ve demet anahtarlaması, bölüştürülmesi ve şekillendirilmesi içinolasılıkları oluşturur.

•Sanayide metalleri özellikle de yansıtıcı metalleri kesme, delme işlemlerinde tercih edilir.Seramik gibi metal olmayan materyalleri işlemede de kullanılır.•Nd:YAG lazerler küçük parçaların veya ince malzemelerin kaynak işlemlerinde kullanımavantajına sahiptir.

Nd:YAG LAZERLERİ

Lazer ışığı elde etmek için kullanılan kristaller Nd:YAG kristalleridir.Nd: Neodmium,

Y: Yitrium, A: Aliminium,G: Garnett kristallerini simgeler

CO2 lazeri, kızıl-altı bölgede, aktif ortamı karbon dioksit olan lazerlerdir. Dalga boyu 10.6micron olan CO2 lazeri 40kW’a kadar güce sahip olabilir. Rezonatör içinde yüksek gerilimile uyarılan gaz sonucu oluşan demet, bir noktaya aynalar veya mercekler ile taşınır.İşlemedeki başarı gazın saflığına bağlıdır.

Eksenel gaz akışlı lazer

Aynalar Lazer demeti

Lazer aktif

ortamı

ElektrikseldeşarjGaz akışı

Lazerdemet ekseni

Endüstride özellikle 2-12 kW’a kadar güçgerektiren uygulamalarda kullanılır. CO2lazeri birçok metal, plastik, ağaç, kuvars,seramik ve cam işlemede tercih edilmektedir

CO2 LAZERLERİ

Femtosaniye (10-15) atım süresine sahip lazerlerdir

• Femtosaniye lazerlerin malzeme işlemede kullanılması ile üretimi yapılanMalzemelerin boyutları nanometre (nm) mertebelerine kadar indirilmiştir.Fotolitografi tekniği kullanılarak sadece düzlemsel yüzeyler işlenebilirkenfemtosaniye lazerler kullanılarak 100 nm mertebelerinde 3 boyutlu metal vedielektrik malzemeler işlenebilmektedir

• 100 fs süreli bir atım insan saçının küçük bir bölümünü kat ederken, ışık bir saniyededünyanın çevresini 7,5 kez dolaşır.

• Femtosaniye lazer atımları ile malzeme işlemenin temel avantajları:

• Verim, hızlı ve yerel enerji aktarımı.

• İyi tanımlanmış deformasyon ve aşındırma.

• Minimum ısısal ve mekanik zarar.

Ti-Saphire LAZERLER

Plastik medikal alet üzerine açılmış delik (~80um)ve lazerle kaynak edilmiş ameliyat bileşeni

Paslanmaz çelikte 10 µm çapında delikler.

Hücre çekirdeği (850 nm)Nöron büyümesi (730 nm) Büyüyen polen (930 nm)

Ti-Saphire Lazerler ile üretilebilen fslazerlerin kullanım alanları

X-ışını lazerler, lazerle oluşturulan yüksek yoğunluklu plazmalar kullanılarak üretilir.

Dalga boyları 35 Å ile 400 Å arasında değişim gösterir.

ÜRETİM ÇEŞİTLERİ1. Tekrar-birleşme ile pompalanan2. Çarpışma ile pompalanan

-Yarı kararlı durum (QSS) pompalaması-Çok kademeli atımlı pompalama -Geçici pompalama-Optik alan iyonlaşma (OFI) pompalaması -Kılcal tüpte deşarj

Pinhole kamera

Kristal spektrometre

CCDCCD

Uzaysal çözücü eksenel spektrometre

Hedef Ekseni

Döner ayna

OAP

OAS

HEDEF

X-ışını lazerlerin uygulama alanları

0.25 μm yapılar 0.2 μm yapılar

X-ray mikroskobu ile elde edilen kök sperm hücresi

LİTOGRAFİ PLAZMA İNCELEME

GÖRÜNTÜLEME MİKROSKOBUNDA

•Fiber Lazerler, halen yoğun bir şekilde kullanılmakta olan CO2 ve Nd-YAG malzeme işleme lazerlerineetkin bir alternatif oluşturmaktadır.• Dalga boyu aralığı, güvenilirlik, yoğunluk, verim ve benzersiz performans parametreleri nedeniylelazer teknolojilerinde geniş bir alanda uygulanabilir ve kullanılabilir olmaya adaydır.•Yeni üretilen fiber lazerlerinin gücü 20W’a kadar ulaşmıştır.•Lazer başlığının, deflector (saptırma) biriminin ve tedarik biriminin boyutlarının küçüklüğü, küçükmakinelerin entegrasyonunu ve çizgilerin üretimini kolaylaştırır.•Markalama kalitesi ve pek çok sayıdaki uygulama için daha kısa süre sağlayan, yüksek seviyedefrekans kararlılığı ve mükemmel ışın kalitesine sahiptir. Tüm malzemelerim markalanmasındakullanılabilir.

•100.000 saat diyot ömrü•Az yer kaplar•Yüksek verim CO2 - 10%, Nd-YAG - 2%, Fiber - 25%•Katı-hal lazer teknolojisi•Fiber optik dağıtıcı ile korunan yüksek kalitede ışın

FİBER LAZERLER

Kesme (Cutting)

Kaynak (Welding) Hibrit Kaynak (Hybrid welding)

Yazı kazıma (Etching)

Fiber Lazerlerin tercih edildiği malzeme işleme yöntemleri

•Yarı iletken lazerlerdir ve p-n ekleminden (p-n junction) elektrik akımı geçirilmesi ile elde edilenbir aktif ortama sahiptir.•Yarı-iletken diyotlar önemli elektronik parçalardır. Yaklaşık 0.5 W gücündeki yarı iletken diyotlar,Telekomünikasyonda kolay monte edilebilir olması ve fiber optik iletişim ile kolaylıkla etkileşebilenışık kaynakları olduğundan dolayı tercih edilirler.•Rangefinder gibi ölçü aletelerinde, Barkot okuyucularda kullanılır. Görülebilir lazerler özelliklekırmızı ve yeşil lazer pointer olarak kullanılır.

• CD çalıcı, CD-ROMS ve DVD teknolojilerindekızıl-altı ve kırmızı lazer diyotlar kullanılır.

•Mavi lazerler, HD-DVD ve Blu-Işınteknolojilerinde kullanılır. Yüksek güçlü lazerdiyotlar (yaklaşık 100 W ile 2 kW arasında),ısıtma, kaplama, dikiş kaynak gibi endüstriyeluygulamalarda geniş olarak kullanılır.

• Yüksek hız ve düşük maliyet nedeniyletercih edilirler.

YARI İLETKEN DİYOT LAZERLER

MOD

• Mod, lazer ışınının yoğunlukdeğişimi olarakadlandırılmaktadır. K katsayısınındeğeri azaldıkça, ışının kalitesi dedüşmektedir.

• Dolayısıyla bir lazer ışınının enküçük odak çapına ve en küçükenerji yoğunluğuna sahipolabilmesi için bu temel modamümkün olduğu kadar yaklaşmasıgerekmektedir. K katsayısıazaldıkça lazer ışınının odaklanmayarıçapı büyümekte ve ışın kalitesiazalmaktadır

MOD GRAFİK GÖSTERİM UYGULAMA ÖRNEK

Sürekli ModDüşük basınçlı kesme, normal kesme, yüksekbasınçlı kesme

DKP O2 ile, Alüminyum N2 ile, Paslanmaz N2

ile sabit güç ile hassas kesme elde edilir.

Modülasyon ModKöşeleri kesme, hızlanma ve durma

Aktif modülasyondalazer gücü eksen hızına ayarlanır. Böylece sivri köselerdeki yanık izlerinden kaçınılır.

Normal ModDelme, ince saclardaki hassas konturlar.

DKP sac üzerindekiBaşlama delikleriküçük delikler hassas delikler

SuperPlus ModDelme, yüksek yansıtma özelliğine bağlı malzemeler.

Bakır N2 ile, paslanmaz O2 ile

MegaPlus ModDelme, kalın saclarda hassas konturlar.

Kalın malzemelerdeaz artık ile hızlı delme,O2 ile çinko deliği.

BAZI LAZER TÜRLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI

Karşılaştırma CO2 Lazeri Nd: YAG Lazeri Excimer lazeri

Dalga Boyu (μm) 10,6 1,06 0,3-0,2

Tahrik TekniğiDüşük basınçlı gaz

boşaltımıArk lambası

Yüksek basınçlı gaz boşaltımı

Çalışma Şekli CW/P P/CW P

Maksimum Güç (kW) 25 2 0,4

Darbe Gücü (kW) 10 kW’a kadar 100 kW’a kadar 30000 kW’ a kadar

Işın Kalitesi Maksimum Düşük Düşük

Verimlilik (%) 5-10 2-5 1-2

Fiyat (€) 500.000 800.000 650.000

Kullanım YeriTermik prosesler,

makro işlemeTermik Prosesler, mikro

işlemeMikro alanda termik

olmayan işleme

LAZER İLE KESİM

1. CO2 lazer rezonatörü, uyarılmış karbon atomlarının oluşturduğu tek dalga uzunluğundaki hafif yayınım.

2. Dağıtıcı ayna

3. Direkt görüş periskobu

4. Direkt görüş periskobu

5. İyon tutcular

6. Odaklama Lensi

7. Kesme kafası

8. Kesici Uç (Nozzle)

9. İş parçası

KESİCİ KAFA

•Rezanatörden gönderilen uyarılmış karbon atomları lazer ışınını meydana getirir.

•optik aynalardan geçirilir ve iyonlar tutulur

•Lazer ışını kesmeden hemen önce odaklama lensinde toplanır

• kesici uç (nozzle) dan geçirilerek parça üzerine etki ettirilir.

KESME OLAYI

Lazer ışını

Kesici Gaz

İ parçası

Nozzle (uç)

Hava

Kesme kafası

İKİZ LAZER SİSTEMİ

•Lazerler münferit odaklanma noktasına sahiptirler

• Aynı enerji için %70-100 arasında daha fazla kesme hızına sahip olurlar.

•Üstün kesme kalitesi sunar.

•Önem arz eden işler yapılırken bir lazer devre dışı kalsa dahi %50 güç ile iş tamamlanabilir.

LAZERDE FARKLI MALZEMELERİN İŞLENEBİLİRLİĞİ

Endüstriyel çelikler

•Endüstriyel çeliklerde, kesme gazı olarak oksijen kullanılmaktadır. Lazer tezgahısürekli ışın (CW) modunda kullanılır. Bu çeliklerde karbon yüzdesi arttıkça, kesmekenarlarında malzemenin sertleşme özelliği artar ve köşelerde yanık izlerininoluşumuna sebebiyet verir. Sertleşmenin kesim hızıyla bir ilgisi yoktur. Alaşım oranıfazla malzemelerin kesmek, düşük alaşım oranına sahip malzemeleri kesmektenzordur.

•Oksijen, kesme gazı olarak kullanıldığından kesme hattında çok az oksitlenme oluşur.Kesme gazı olarak yüksek basınçlı azot kullanılırsa, 4 mm’ye kadar kesim yapmakmümkündür.

•Bunun sonucu olarak kesim hattında oksitlenme görülmez. Fakat kesim hızı, oksijenlekesim hızıyla kıyaslandığında oldukça yavaştır.

•Oksijenle kesme hızının %10 ile %30’una 23 ulaşılabilir. Oksitli malzemeler ve temizolmayan malzeme üzeyleri düşük kesim kalitesine sebebiyet verir

Paslanmaz Çelik

• Bu çeliklerde, oksijen kesme gazı olarak kullanılabileceği gibi,yüksek basınçlı azot ile de kesim yapılabilir.

• Eşit kalınlıktaki paslanmaz çelikte; yüksek basınçlı azot,oksijene göre daha hızlı bir kesim sonucu verir.

• Azotla kesimde, 5 mm’den kalın paslanmaz çeliklerde çapaksızkesim yapılabilmesi için, odak pozisyonunun ayarlanmasıgereklidir.

• Odak pozisyonunun ayarlanması ve kesim hızının düşürülmesidüzgün kesimi sağlar.

Paslanmaz Çelik

• Alüminyum alaşımları, yüksek yansıtma özelliği ve ısıl iletkenliğine sahipolmasına rağmen 6 mm kalınlığa kadar kesim işlemi yapılabilmektedir.

• Alüminyum ve alaşımlarının lazer ile kesiminin sürekli modda yapılmasıtavsiye edilmektedir.

• Alüminyum alaşımlarının, paslanmaz çelik gibi oksijen ve yüksek basınçlıazot ile kesimi mümkündür.

• Kesme gazı olarak oksijen olarak kullanılması kesim yüzeyindepürüzlülüğün oluşumuna ve az da olsa çapak oluşumuna sebebiyet verir.

• Kesimin azot ile yapılmasıyla, kesim yüzeyinde oksijene göre daha temizbir yüzey elde edilir. 4 mm’ye kadar çapaksız kesim elde edilmektedir.

• Saf alüminyumun yüksek yansıtma özelliği nedeniyle 4 mm’ye kadar lazer kesimi mümkündür

Titanyum

• Titanyumda en uygun kesme gazı bir soy gaz olan argondur.Fakat azot da kullanılabilmektedir. Kesim gazı olarak oksijenkullanılmaz.

• Oksijen ile yapılmak istenirse titanyum yüksek sıcaklıkta yanar

Bakır ve Pirinç

• Bakır ve pirinç yüksek ısı iletkenliği ve yüksek ısı yansıtma özelliklerinesahip olduklarından 3 mm’ye kadar kesimleri mümkündür.

• Bakırın 3 mm’ye kadar kesilmesinde kesme gazı olarak oksijen kullanılır.

• Azot, yüksek yansımaya sebep olmakla beraber ekipmanlara zararverebilir.

• Pirinçlerin, 3 mm’ye kadar kesimde, azot ve oksijen kesme gazı olarakkullanılıp, yüksek basınçla işlem yapılır.

• Oksijen ile yapılan kesimler daha kaliteli olduğundan dolayı avantajlıdır

Sentetik Malzemeler

• Sentetik malzeme olarak termoplastik, termoset malzemelerve sentetik kauçuk malzemeler işlenebilir.

• Çok yoğun duman çıkmasından dolayı PVC ve polietilenmalzemeleri lazer işlerken su jeti kullanılmalıdır.

• Akrilik cam lazer ile kesilebilir. Kesme gazı olarak basıncı 0,5bardan daha düşük olmak üzere azot kullanılır. Bu yolla dahaparlak kesme yüzeyi elde edilebilir

Organik Malzemeler

• Tahta, deri, kağıt lazer ile işlenebilir. İşlenmiş kenarlar,yanmaktan kömür haline gelecektir.

• Yapışkan tahta işlerken her yapışkan tipi ve çeşidine bağlıolarak temiz bir işleme garantisi elde etmek imkansızdır

LAZERLE KESMENİN AVANTAJLARI

• Laser kesim teknolojisi ile yüksek işleme hızına ulaşılmakta ve birim maliyet düşerken kalitesinin artması.

• Parça imalatında kalıp maliyeti yoktur.

• Aynı plaka sac üzerinden birbirinden farklı parçalar işlenebilir.

• Fire oranı minimum seviyeye indirilir.

• İşlenecek parçaların uygun olması durumunda ortak yüzeyler beraber kesilerek maliyet azaltılabilir

AVANTAJLAR

• Çapaksız bir kesim sağlanır ve ısı deformasyonu minimum seviyedir.

• Ek işlem gereksinimi yoktur

• Sac deformasyonları yoktur

• Sac kalınlığının yarısı çapındaki delikler işlenebilir

• Her türlü yazı, resim, amblem sac üzerinden kesilebilir ve markalanabilir.

• 0,05 mm hassasiyet ile parçalar kesilebilir

LAZER TEZGAHLARI

TRUMPF TRUMATIC L4030

TABLA

IŞIN ODASI

KONTROL ÜNİTESİ

KESME KAFASI

KESME GAZLARI

NOZZLE (UÇLAR)

İŞLEME VİDEOLARI

İŞLEME VİDEOLARI

TEZGAH VİDEOSU

KONU SONU

SIRADAKİ KONU

PLAZMA İLE KESİM, PLAZMA TEZGAHLARI

53

54